1963年6月出生於北京，祖籍信陽市羅山，山西陽泉長大。
1985年畢業於華北水利水電學院（現華北水利水電大學）水電工程系。
1985年10月參加工作，後於山西娘子關電廠任計算機工程師。
1989年創作科幻小說《超新星紀元》首版和《中國2185》，但未發表。
20世紀90年代開始向《科幻世界》雜誌社投稿。
1999年6月，在《科幻世界》首次發表兩篇作品《鯨歌》和《微觀盡頭》，同年首次憑借《帶上她的眼睛》獲得1999年中國科幻銀河獎壹等獎。
2000年發表短篇小說《地火》、《流浪地球》，憑借《流浪地球》獲得中國科幻銀河獎特等獎。
2001年發表短篇小說《鄉村教師》、《微紀元》、《全頻帶阻塞幹擾》等，憑借《全頻帶阻塞幹擾》和《鄉村教師》首度同時獲得銀河獎兩項獎項。
2002年至2005年間，劉慈欣憑借壹系列中短篇小說連續獲得中國科幻銀河獎，期間的主要作品有《朝聞道》、《思想者》、《地球大炮》、《詩雲》、《鏡子》、《贍養人類》等，並於2003年1月和2004年6月先後出版長篇小說《超新星紀元》和《球狀閃電》。
2006年5月，劉慈欣創作的長篇科幻小說《三體》第壹部開始在《科幻世界》上連載，壹直持續了半年多，到年底結束。同年憑借該作獲得中國科幻銀河獎特別獎。
2007年底完成系列續作《三體2：黑暗森林》，於2008年5月出版。
2010年10月出版第三部《三體3：死神永生》，再度獲得中國科幻銀河獎特別獎。
2011年憑借《三體》獲全球華語科幻星雲獎最佳長篇小說金獎、《當代》長篇小說2011年度五佳。 2011年10月21日在陽泉市作協四屆壹次理事會議上被選為陽泉市作協副主席。
2013年憑借《三體》獲西湖·類型文學雙年獎金獎、第九屆全國優秀兒童文學獎，同年以370萬元的年度版稅收入第壹次登上中國作家富豪榜。
2014年5月26日宣布《三體》三部曲的英文版將於2014年10月、2015年5月、2016年1月分三步在美國出版發行。 7月任首屆“這篇小說超好看”類型文學獎評委。 8月正式調入陽泉市文學藝術創作研究室，從事專門的文學創作和研究工作。 11月宣布擔任電影《三體》的監制。
2015年2月，憑借《三體》獲得美國星雲獎提名。 2015年3月，接任騰訊移動遊戲“想象力架構師”。 2015年4月，作品《時間移民》獲得“2014中國好書”獎項。 2015年6月獲2015騰訊書院文學獎“致敬小說家”。
2015年8月23日，憑借科幻小說《三體》獲第73屆世界科幻大會頒發的雨果獎最佳長篇小說獎，這是亞洲人首次獲得雨果獎，也是中國科幻走出國門走向世界的重要壹步。 2015年9月12日，劉慈欣獲第26屆科幻銀河獎特別功勛獎。
2015年10月18日晚，第六屆全球華語科幻星雲獎頒獎典禮在成都舉行。劉慈欣憑借《三體》獲得了組委會頒發的華語科幻文學最高成就獎，並被授予特級華語科幻星雲勛章，該等級勛章只有獲得國際最高科幻獎項雨果獎和星雲獎的作家有資格獲取。
2016年1月19日，被評為“2015中國科學年度新聞人物”。
2016年3月4日，在接受采訪時確認，自己已當選山西省作協副主席。